58

Методическое пособие

по курсу

«СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ»

11. Функциональные устройства на операционных усилителях

11.1. Операционные усилители и их свойства.

Операционные усилители (ОУ) являются одним из широко используемых элементов схемотехнических построений электронных цепей усиления сигналов, их суммирования, частотной фильтрации, линейного и нелинейного преобразования аналоговых сигналов, согласования трактов с различными входными и выходными сопротивлениями.

В современной электронике под ОУ понимают особый класс микроэлектронных устройств, обладающих высоким (порядка 10⁵…10⁶) собственным усилением в том числе и на постоянном токе, очень большим входным сопротивлением и очень малым выходным сопротивлением.

По своему построению ОУ является усилителем постоянного тока (УПТ), выполненным по дифференциальной схеме.

Качество ОУ во многом определяется тем, насколько перечисленные и ряд других свойств приближаются к предельно достижимым.

Так у идеального ОУ:

• дифференциальный коэффициент передачи К_D имеет неограниченно большое значение;

• отсутствует реакция на воздействие синфазной составляющей сигнала К_С=-R_K/2R_O=0;

• обладает бесконечно большим входным сопротивлением относительно дифференциальной (R_ВХ.Д.=2R_ВХ=4/g₁₁)и синфазной (R_ВХ.С.=R_ВХh_21Э R_О) составляющих сигналов;

• обладает безынерционной по передаточным свойствам схемой (т.е. схемой с высоким значением верхней границы полосы пропускания);

• у него нет ограничений на уровни создаваемых с его помощью токов и напряжений.

По схемотехнике свойства реальных ОУ отличаются от идеальных. Соответственно вся номенклатура ОУ подразделяется на классы в зависимости от того, какие параметры и в каких пределах приближаются к свойствам идеального ОУ.

Например, класс быстродействующих ОУ объединяет ОУ, обладающих пониженной инерционностью (повышенной широкополосностью). Существует класс прецизионных ОУ, которые по своим свойствам наиболее приближаются к идеальным УПТ. Особый класс – сильноточные (мощные) ОУ, способные работать на низкоомную нагрузку. Микромощные ОУ.

Отличие реальных ОУ от идеальных накладывает определённые ограничения на точность обработки и стабильность обработки аналоговых сигналов.

Можно отметить более двадцати параметров реальных ОУ, характеризующих качество ОУ и позволяющих выбрать ОУ для тех или иных применений. Рассмотрим ряд их свойств.

11.1.1. Схема включения оу, эквивалентная схема по постоянному току

Схема включения двухвходового ОУ представлена на рис. а), включающая два разнополярных источника питания Е_П⁺, Е_П^-, сопротивление нагрузки Rн, и источник входного сигналаU_ВХ.

Рис. а.

Выходное напряжение изменяется симметрично в обеих полярностях относительно нуля, причём если U_ВХ=0, следовательноU_ВЫХ=0. Это условие называется условием баланса ОУ.

Входной сигнал может быть и двухполярным и однополярным, но при этом управляющий сигнал наблюдается между двумя входами независимо от точки заземления источника сигнала. Если заземлён инвертирующий вход ОУ (-), то усилитель неинвертирующий (кривая 1, рис. б). Если заземлён неинвертирующий вход (+), то усилитель инвертирующий (кривая 2, рис. б), входной и выходной сигналы в противофазе.

Рис. б.

В приведённой схеме отсутствуют обратные связи, следовательно собственный коэффициент усиления . Разностьстремится к 2Е_К, так как выходные транзисторы находятся в насыщении приU_ВЫХстремящемся к Е_К, и разностьстремится к нескольким десятых вольта.

При U_ВЫХк Е_К, увеличивается рост нелинейных искажений, следовательно работа при ограниченном напряженииU_ВЫХограничивается коэффициентом нелинейных искажений, например 3%, и соответственно выбираетсяU_ВЫХ.MAX.

Как и в простейшем ДУ, в реальном ОУ наблюдается разбаланс. (рис. в).

Рис. в.

На этом рисунке кривая 1 получена подачей U_СМ0. Кривые 2 и 3 соответствуют присутствию некоторого собственного смещения нулевого уровня. Соответственно, при заземлении обоих входов (U_ВХ=0) на выходе будет какое-то напряжениеили. Это напряжение пересчитывается через коэффициент усиления на входе ОУ в величинуили. Это отмечено генератором ошибокв цепи инверсного входа ОУ (рис. г).

Рис. г.

Одной из характеристик ОУ является максимальная величина безопасного выходного тока. На рис. д. Представлена зависимость выходной характеристики от сопротивления нагрузки.

На рис. е. Представлена схема, где выходное сопротивление R_ВЫХвключено последовательно с сопротивлением нагрузкиR_Ни генератором выходной э.д.с. К_ОU_ВЫХ. Если К_О=const, то уменьшениеR_Нприводит к увеличению падения напряжения наR_ВЫХ.

В ряде случаев включения ОУ на их входах присутствует синфазная э.д.с. Е_СИНФ. Она вызывает сдвиг выходного уровня наU_{ВЫХ.СИНФ}, это надо скомпенсировать, следовательно приU_ВХ=0 добавляется между входом диф. сигнал компенсации синфазной ошибкиU_СИНФ(рис. 3.4.а).

Следует заметить, что напряжение ошибки U_{СМ О}присутствует при любом режиме подачиU_ВХ. АU_СИНФдостигает ощутимой величины лишь в таких схемах включения, где присутствует значительное напряжение Е_СИНФ.

Как и для простого ДУ, ,

где ООСС – отношение ослабления синфазного сигнала. Оно зависит от схемы ОУ и качества его изготовления. Обычно ,значение ООСС лежит в диапазоне 10^-310^-5(-60…-100дБ).

Рис. 3.4.а.

U_СИНФнелинейно зависит от Е_СИНФ. С ростом Е_СИНФООСС обычно увеличивается.

Коэффициенты усиления:

• дифференциальный (К_Д);

• синфазный (К_С).

зависят от частоты так, что с увеличением частоты синфазного сигнала ООСС ухудшается.

Изменение величины Е_П⁺(Е_П^-) влияет на величину напряжения смещения нуля (рис. 3.4 б, в).

а) б)

Рис. 3.4.

Т.е. изменение Е_П⁺или Е_П^-на величинуЕ_П⁺приводит к разбалансу усилителя. Для новой балансировки ОУ на вход необходимо подать некоторое напряжение смещенияU_{СМ О}.

Качество ОУ по этому параметру определяется отношением отношения влияния изменения напряженияпитания(ООВП):

определяется дял каждого ЕП и измеряется в мкВ/В, либо в децибелах раздельно для каждого ЕП.

Эквивалентная схема ОУ, учитывающая усилительные параметры, входное и выходное сопротивление и статические ошибки представлена на рис. 3.5. Входная часть соответствует эквивалентной схеме ДУ, а выодная рассмотрена несколько ранее. Следует заметить, что входные параметры ОУ определяются первым дифференциальным каскадом усиления.

Соответственно при рассмотрении и использовании ОУ необходимо учитывать генераторы входных ошибок. При малом внутреннем сопротивлении источника сигнала основную роль играет напряжение входной ошибки. При большом – возрастает значение генераторов токов ошибок i_ОШ.

Генераторы i_ОШ⁺иi_ОШ^-эквивалентны входным токам ОУ, которые (применительно к идеальному ОУ) должны стремиться к нулю.

Ток ошибок состоит из:

• базового тока входного транзистора ОУ (i_ВХ);

• термозависимой части входного тока (d_iвхТ);

• дрейфовой части входного тока, характеризуемым средним временным дрейфом тока (СВДТ) и накапливается за период ;

• составляющая, возникающая за счёт изменения Е_П⁺и Е_П^-.

Рис. 3.5.

Последнюю можно охарактеризовать отношением ослабления питающего напряжения на входнойток(ООВПТ):

следовательно для обеспечения соответствия эквивалентной схемы реального ОУ генераторы i_ОШ^должны генерировать токи:

Генератор напряжения ошибки U_ОШэквивалентен сумме:

напряжение смещения нуля U_{СМ О};

температурного дрейфа напряжения смещения нуля d_UСМТ;

среднего временного дрейфа напряжения (СВДН), накапливающегося за время ;

составляющая, возникающая при изменении питающих напряжений.

Последняя охарактеризована (3.1)

следовательно генератор U_ОШдолжен генерировать напряжение :

Если на входе ОУ присутствует синфазная э.д.с., то следует учесть в U_ОШи синфазную составляющую (U_СИНФ):

В более общем виде все виды ошибок, обусловленные генератором таких ошибок и генератором напряжений ошибок, можно свести к генератору напряжения ошибок.

В этой эквивалентной схеме токи I_ВХ⁺иI_ВХ^-протекая по внешним по отношению к входным клеммам ОУ цепям создают постоянные напряженияU_Rc+иU_Rc-. ГенераторU_{СМ О}характеризует сдвиг относительно начала координат графика амплитудной характеристики по оси напряженийU_ВХ.

Тогда оценка U_{ОШ ВХ}может быть осуществлена по формуле:

R_c+,R_c-- полные сопротивления на постоянном токе цепей, внешних по отношению к неинвертирующему и инвертирующему входам ОУ;

_t– температурный коэффициент напряжения смещения нуля;

_Еп– коэффициент влияния изменений напряжения источника питания на напряжение смещения нуля;

Т, Еп – отклонения температуры и Еп от номинальных значений.

В рассматриваемом соотношении не отражена синфазная составляющая паразитных постоянных напряжений. Обычно при типовом построении схемы влияние этой составляющей имеет пренебрежимо малое значение.

Для существующей номенклатуры ОУ значения напряжения U_ОШ.ВХлежит от единиц микровольт до десятков милливольт. Первые относятся к высококачественным прецизионным ОУ, а вторые к ОУ с полевым транзистором на входах.

Пример.Оценить ожидаемое предельное значение статической ошибки U_ош.вх, приведенной ко входу ОУ КР544УД1, для случая, когда он применен в схеме с R_c + = R_c- =1 МОм. Схема работает при номинальном питании (E_n= 0). В процессе работы возможны отклонения температуры от номинального значенияT = + 30⁰С.

Решение.ОУ.544УД1 имеет следующие параметры:

U_1m0= 5В,_t= 20 мкВ/град.,I_вх= 0,15 мА.согласно приведенной формуле

Типовые значения U_ош.вхдля ОУ общего применения, выполненного на биполярных транзисторах составляет 1…5мВ. Соответственно напряжение на выходе, вычисленное по формуле:

дифференциальный коэффициент усиления (10⁵…10⁶)

существенно превышает напряжение источника питания (общую E_n 10…15В). (100…5000В).

 при отсутствии ООС ОУ как правило находятся в перегруженном состоянии (т.е. ОУ теряет как способность неискаженного воспроизведения сигналов на выходе, так и способность выполнять функцию усиления вообще).Линейные схемы преобразования аналоговых сигналов организуются как схемы с глубокими ООС.

Область применения ОУ в схемах обработки в ряде случаев так же оказывается ограничена тем, что ОУ обладает достаточной широкополосностью (т.е. невысокое быстродействие).

Это обусловлено наличием в структуре ОУ ряда инерционных звеньев. АЧХ ОУ имеет частотно-независимый характер лишь в низкочастотной области.

Существенная инерционность ОУ затрудняет:

создание быстродействующих устройств обработки аналоговых сигналов;

создание широкополосных усилительных трактов.

Из-за инерционности ОУ на его выходе невозможно создать высокоскоростные сигнальные изменения.

Для каждого типа ОУ существует предельная скорость изменения выходного напряжения U_max, значения которой не могут быть превышены не при каких условиях. Для синусоидальных сигналов max. значение этой скорости определяется произведением амплитуды сигнала U_mна частоту= 2_max= U_m2U_{m max}() =_max/2.

В справочниках значение _maxдля ОУ приводится при номинальном E_n. Изменение E_nприводит и к пропорциональному изменению_max,E_n_max,E_n_max.

Амплитуда сигнала на выходе ОУ не может превышать некоторого предельно допустимого значения амплитуды U_{m max}(0) на низких частотах. Для большинства ОУ это E_n. С учетом этого и (11.3) ограничения, накладываемые на предельно допустимые значения амплитуд синусоидальных сигналов, могут быть охарактеризованы с помощью следующих приближенных соотношений:

(11.4)

где: - частота, на которой предельно допустимое значение амплитуды синусоидального сигнала меньше, чемU_{max н}в2 раз.

U_{max н}– значениеU_max, соответствующее номинальномуE_n. На рис. 11.4график в соответствии с соотношением (11.4).

Операционные усилители относительно невысокого быстродействия имеют значения скорости , лежащие в пределах от единиц до нескольких десятков вольт за микросекунду.

Следовательно, заметное снижение предельно достигаемых значений амплитуд синусоидальных сигналов в этих ОУ можно ожидать на частотах от нескольких десятков до нескольких сотен кГц. В общем виде соотношение (11.4) является весьма приближенным, т.к. оно не учитывает в полной мере ряды нелинейных процессов, сопровождающих работу усилительных трактов при сигналах предельной и повышенной интенсивности.

Более подробно с организацией и работой ОУ можно познакомиться, например по книге: В.П. Шило. Линейные интегральные схемы. М. Сов. Радио, 1979г., 368с.

Дифференциальный каскад

Повышение коэффициента усиления.

Схемы сдвига уровня.

Выходные каскады.

Источники тока.